張明銳 劉金輝 金 鑫

（同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 上海 200092）

1 引言

為了解決人類(lèi)所面臨的能源危機(jī)，大規(guī)模利用分布式能源和可再生能源發(fā)電，一種新的電網(wǎng)運(yùn)行模式——微型電網(wǎng)近年來(lái)在國(guó)外發(fā)展十分迅速。未來(lái)可再生電能傳輸和管理（Future Renewable Electric Energy Delivery and Management，F(xiàn)REEDM）網(wǎng)絡(luò)，是由美國(guó)北卡州立大學(xué)提出的新型智能微型電網(wǎng)模型，目前正在興建 1MW的試驗(yàn)性示范電網(wǎng)。它由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)自2008年起開(kāi)始資助，此外，還聯(lián)合了其他若干著名大學(xué)和跨國(guó)企業(yè)共同研究[1]。

FREEDM是一個(gè)革命性的綠色低碳電力網(wǎng)絡(luò)，它基于高帶寬數(shù)字通信、分布式控制和電力電子器件。在結(jié)構(gòu)上，它是一個(gè)特殊的微型環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，回路由電纜或傳輸線(xiàn)連接，電壓設(shè)計(jì)為10kV，與本地供電系統(tǒng)并網(wǎng)的電壓可為35kV或110kV（美國(guó)這兩項(xiàng)數(shù)據(jù)分別為12.47kV、69kV）。各種可再生分布式電源、儲(chǔ)能設(shè)備和負(fù)載通過(guò)固態(tài)變壓器（Solid State Transformer，SST）提供的接口接入系統(tǒng)。分布式電源可以采用太陽(yáng)能光伏電池、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、燃料電池和微型燃?xì)廨啓C(jī)等。儲(chǔ)能設(shè)備包括蓄電池、超級(jí)電容等，用于維持網(wǎng)絡(luò)中的功率平衡，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的削峰填谷。各電源、儲(chǔ)能設(shè)備和負(fù)載之間并聯(lián)。FREEDM既可以并入當(dāng)?shù)刂麟娋W(wǎng)運(yùn)行，也可以與主電網(wǎng)解列孤島運(yùn)行。

在FREEDM中，SST用于替代傳統(tǒng)的工頻變壓器。與傳統(tǒng)變壓器相比，SST通過(guò)電力電子變換技術(shù)實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)中電壓變換和能量傳遞，具有體積小、重量輕、空載損耗小、不需要絕緣油等優(yōu)點(diǎn)[2]。它不僅具有變壓功能，而且兼具限制故障電流、平衡有功功率、改善電能質(zhì)量以及為各種設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)化接口等多種功能。由SST提供的四象限功率控制允許分布式發(fā)電設(shè)備即插即用，任意將儲(chǔ)能設(shè)施和負(fù)載接入FREEDM而不影響附近其他用戶(hù)，為用戶(hù)提供高品質(zhì)的供電。電能在SST中可以雙向流動(dòng)，因此FREEDM中電能的流動(dòng)可以是多向的，它是一個(gè)能源的因特網(wǎng)，每個(gè)電力用戶(hù)不僅是能源的消費(fèi)者，也是能源的供應(yīng)者。用戶(hù)可以根據(jù)自身的需求將分布式電源產(chǎn)生的多余電能賣(mài)回給電力公司[3]。

SST是 FREEDM 的核心設(shè)備。目前國(guó)外對(duì)FREEDM和SST的研究尚處于起步階段，國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)其他單位對(duì) FREEDM 予以關(guān)注，本文引進(jìn)FREEDM的先進(jìn)設(shè)計(jì)理念，對(duì)應(yīng)用于FREEDM的SST進(jìn)行研究。主要從SST的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、功能實(shí)現(xiàn)及控制方法幾個(gè)方面加以分析，并建立一個(gè)基于我國(guó)電網(wǎng)參數(shù)的三相SST模型用于仿真研究。

2 固態(tài)變壓器的原理與FREEDM

2.1 固態(tài)變壓器的原理及發(fā)展

在變壓器中，可推導(dǎo)出下述關(guān)系式:

式中，B為變壓器的磁通密度；Ac為鐵心面積；N為繞組匝數(shù)。由式（1）可見(jiàn)，當(dāng)磁通密度一定時(shí)，Ac與工作頻率f成反比，這樣如果提高變壓器的工作頻率就可提高鐵心的利用率，大幅減小變壓器的體積并提高其整體效率。因此減小變壓器的體積是固態(tài)變壓器早期的主要研究目標(biāo)。美國(guó)海軍在1980年提出了SST的雛形[4]。文獻(xiàn)報(bào)道，傳統(tǒng)的2.7MVA工頻變壓器重量超過(guò)6t，而同樣容量的SST重量只有原來(lái)的1/3左右[5]。

國(guó)內(nèi)對(duì)固態(tài)變壓器的研究在 FREEDM 出現(xiàn)之前就已經(jīng)開(kāi)始。早期的研究，主要從輸配電變壓器的角度展開(kāi)，文獻(xiàn)表明，SST在降低變壓器體積與重量，穩(wěn)定輸出電壓方面有顯著優(yōu)勢(shì)[6]。文獻(xiàn)[7]對(duì)固態(tài)變壓器在輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，結(jié)果表明固態(tài)變壓器在改善輸電系統(tǒng)電壓特性，提高系統(tǒng)的阻尼和穩(wěn)定性方面具有顯著效果。FREEDM的提出，為SST的研究注入了新的活力。

根據(jù)固態(tài)變壓器中是否存在直流單元，SST的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為兩大類(lèi):一種是在電力電子變壓器中不存在直流單元，稱(chēng)為直接交-交型SST；另一種是在電力電子變壓器中包含直流單元，稱(chēng)為交-直-交型SST。應(yīng)用于FREEDM的SST需要較復(fù)雜控制功能，交-直-交型更加適合。

2.2 固態(tài)變壓器在FREEDM中的運(yùn)行模式

在FREEDM中，SST的運(yùn)行模式由其所配置的分布式電源、儲(chǔ)能裝置和負(fù)載的運(yùn)行工況決定。從FREEDM運(yùn)行控制的角度，可以將SST的運(yùn)行模式歸為兩大類(lèi):P-Q模式和V-S模式。

（1）P-Q模式。P-Q模式也稱(chēng)之為負(fù)載模式。按照P-Q模式運(yùn)行的SST，向電網(wǎng)輸送或從電網(wǎng)吸收功率，SST與電網(wǎng)同步，此時(shí)的SST對(duì)配置的分布式電源和儲(chǔ)能裝置沒(méi)有特殊要求，甚至可以只配置負(fù)載。

（2）V-S（Voltage Source）模式。V-S模式，也稱(chēng)為電壓源模式。在FREEDM聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，其功能與P-Q模式類(lèi)似。在FREEDM進(jìn)入孤島運(yùn)行模式時(shí)，承擔(dān)穩(wěn)定環(huán)網(wǎng)電壓和頻率的作用，此時(shí)的 SST必須配置足夠容量、響應(yīng)快速的分布式電源或儲(chǔ)能裝置。

在FREEDM聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，電壓和頻率由外部電網(wǎng)限定，SST沒(méi)有穩(wěn)定頻率、電壓的要求，主要實(shí)現(xiàn)分布式電源的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和執(zhí)行電網(wǎng)的功率調(diào)節(jié)指令，SST的兩種運(yùn)行模式都可以滿(mǎn)足。在FREEDM孤島運(yùn)行時(shí)，其所含的SST必須有部分或者全部按照V-S模式運(yùn)行，來(lái)穩(wěn)定FREEDM環(huán)網(wǎng)的頻率和電壓，換言之，如果SST不具備V-S模式的運(yùn)行功能，F(xiàn)REEDM將無(wú)法孤島運(yùn)行。

SST不管處于以上哪種運(yùn)行模式，都可以實(shí)現(xiàn)與外網(wǎng)的雙向電能流動(dòng)。

將SST應(yīng)用于FREEDM，需要十分復(fù)雜的控制功能，本文針對(duì) FREEDM聯(lián)網(wǎng)模式下SST的功能進(jìn)行研究。孤島模式下的SST控制性能將另行研究。

3 固態(tài)變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1是一個(gè)典型的三相交-直-交型SST拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由輸入側(cè)三相全控整流器、中間DC-DC直流變換單元和輸出側(cè)三相全控逆變器三部分組成，其中，中間 DC-DC直流變換單元又由一個(gè)單相全橋逆變器、高頻變壓器和一個(gè)單相全橋整流器三部分組成。高壓工頻交流輸入首先通過(guò)輸入AC-DC整流器變換為高壓直流電；再通過(guò)一個(gè)單相全橋變換器被調(diào)制成高頻高壓交流電，然后通過(guò)高頻變壓器降壓變換為高頻低壓交流電，該低壓交流電經(jīng)單相全控整流器被還原為直流；最后經(jīng)過(guò)輸出DC-AC逆變單元變換為所需的低壓工頻交流輸出。

在當(dāng)前電力電子器件耐壓受限的情況下，必須采用多個(gè)開(kāi)關(guān)器件串聯(lián)使用，并且解決開(kāi)關(guān)器件串聯(lián)使用時(shí)所帶來(lái)的均壓和可靠性問(wèn)題。為了在現(xiàn)有條件下解決上述問(wèn)題，E.R.Ronan和S.D.Sudhoff等人提出了一種由輸入級(jí)（高壓級(jí)）、隔離級(jí)和輸出級(jí)（低壓級(jí)）組成的三階式 SST[8]。其特點(diǎn)在于輸入級(jí)采用多級(jí)功率模塊串聯(lián)，高壓側(cè)輸入電壓被均分到每一模塊上，從而可減小高壓側(cè)單個(gè)功率模塊上所承受的電壓，各模塊內(nèi)部可不必串聯(lián)。輸入級(jí)各模塊為單位功率因數(shù)整流器。

對(duì)配電系統(tǒng)而言，一次側(cè)電壓等級(jí)高，二次側(cè)電壓等級(jí)低，那么在容量一定的情況下，勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)一次側(cè)電流小，而二次側(cè)電流大。為此，可以采用一種輸入側(cè)串聯(lián)、輸出側(cè)并聯(lián)的大容量SST實(shí)現(xiàn)方案。其特點(diǎn)是，通過(guò)輸入模塊的串聯(lián)提高了輸入電壓等級(jí)，通過(guò)輸出模塊的并聯(lián)提高了輸出電流等級(jí)。非常適用于高壓大功率應(yīng)用場(chǎng)合。圖2用單相SST結(jié)構(gòu)說(shuō)明這種方案的串并聯(lián)連接方式。

圖1 三相SST的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.1 The basic topology of three-phase SST

圖2 高壓側(cè)串聯(lián)低壓側(cè)并聯(lián)的SSTFig.2 High voltage modules in series and low voltage connection in parallel

4 固態(tài)變壓器的功能實(shí)現(xiàn)

在 FREEDM 中，從電網(wǎng)角度看，通過(guò)采用合適的控制策略，SST需要實(shí)現(xiàn)以下功能目標(biāo):①輸出電壓控制為恒定的工頻正弦交流電壓，能有效抵抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)和負(fù)載擾動(dòng)；②無(wú)功功率補(bǔ)償，SST能在優(yōu)先滿(mǎn)足負(fù)載有功功率需求的情況下根據(jù)設(shè)定的功率因數(shù)目標(biāo)向電網(wǎng)注入或吸收無(wú)功電流，最好是單位輸入功率因數(shù)；③過(guò)電流保護(hù)和欠電壓保護(hù)。本文以三相交-直-交型SST為例，對(duì)輸入整流單元、中間DC-DC變換單元和輸出逆變單元三部分的功能和控制方式分別加以討論。單相SST的實(shí)現(xiàn)方法與此類(lèi)似，但進(jìn)行單相DQ電流解耦控制時(shí)需要引入相應(yīng)的虛擬電量[9]。

4.1 空間電壓矢量調(diào)制技術(shù)SVPWM

相對(duì)于傳統(tǒng)的 PWM控制，SVPWM控制利用空間電壓矢量的切換以獲得準(zhǔn)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而在不高的開(kāi)關(guān)頻率(1～3kHz)條件下，獲得更好的控制性能，SVPWM提高了電壓型整流器和逆變器的電壓利用率，而且其簡(jiǎn)單的矢量模式切換易于微處理器的實(shí)現(xiàn)[10]。

空間電壓矢量控制用三相電壓矢量去逼近矢量電壓圓，輸入端會(huì)得到等效三相正弦電壓波形。三相變流器空間電壓矢量共有8個(gè)，除2個(gè)零矢量外，其余6個(gè)非零矢量對(duì)稱(chēng)均勻分布在復(fù)平面上，如圖3所示。對(duì)任一給定的空間電壓矢量Ur，均可由相鄰的兩個(gè)基本電壓矢量和零電壓矢量來(lái)合成。

圖3 電壓空間矢量合成圖Fig.3 The basic voltage space vectors

空間電壓矢量合成的計(jì)算步驟如下:

（1）判斷參考電壓矢量所在扇區(qū)，選擇參與矢量合成的基本空間矢量。

（2）計(jì)算每個(gè)空間矢量的作用時(shí)間（占空比）。

（3）確定空間矢量序列。

4.1.1 判斷參考電壓矢量所在扇區(qū)

把電壓矢量從三相坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到兩相靜止坐標(biāo)系，由克拉克變換（abc/αβ變換）有

引入符號(hào)函數(shù)sign(x)，設(shè)N=sign(A)+2sign(B)+4sign(C)，這里N 對(duì)應(yīng)著6個(gè)扇區(qū)。經(jīng)過(guò)計(jì)算，可以得出N 和扇區(qū)之間對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1[11]。

表1 N值與對(duì)應(yīng)的扇區(qū)號(hào)Tab.1 Sector based on N

4.1.2 空間矢量的作用時(shí)間

如圖3所示，以參考矢量Ur位于扇區(qū)Ⅰ為例，選擇鄰近的空間矢量 U1和 U2以及零矢量 U0來(lái)合成，則有

若開(kāi)關(guān)頻率比電壓型變流器交流側(cè)的基波頻率高得多，則可以近似認(rèn)為 U1在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期 Ts中恒定，上式簡(jiǎn)化為

由正弦定律可以解得

式中，m為 SVPWM 調(diào)制系數(shù)。根據(jù) T1、T2和開(kāi)關(guān)的切換規(guī)則，并考慮到扇區(qū)的不同，可計(jì)算出開(kāi)關(guān)作用時(shí)間 Ton1、Ton2、Ton3。將 Ton1、Ton2、Ton3作為調(diào)制波，三角波作為載波，比較即可得到SVPWM的輸出脈沖[12]。

4.2 輸入整流單元

如圖1所示，三相SST的輸入單元是一個(gè)三相全控整流器。建立其在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型，對(duì)于三相交流對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)，忽略開(kāi)關(guān)過(guò)程中的高頻分量，穩(wěn)態(tài)時(shí)dq模型的d、q分量均為直流變量；若取d軸與電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)矢量同向，則按照瞬時(shí)無(wú)功功率理論，d軸表示有功分量，q軸表示無(wú)功分量，只需要令q軸電流參考量i*q=0，即可實(shí)現(xiàn)單位輸入功率因數(shù)。整流器采用電壓、電流雙閉環(huán) PI調(diào)節(jié)器控制，電壓外環(huán)的作用主要是控制輸出直流電壓，保證直流電壓的恒定；電流內(nèi)環(huán)的作用主要是按照電壓外環(huán)輸出的電流指令進(jìn)行電流控制，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)。

DQ旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電壓型SVPWM整流器的簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型可以表示為[13]

式中，p為微分算子；ud、uq為電網(wǎng)輸入電壓的d、q分量；urd、urq為整流器交流側(cè)輸入電壓的 d、q分量；id、iq為整流器交流側(cè)輸入電流的d、q分量。

由式（4）可知, d軸電流和q軸電流之間存在耦合，在 d軸控制回路中增加一項(xiàng):ωLiq，它剛好抵消d軸等效電路模型中來(lái)自q軸的影響；對(duì)q軸電流控制器進(jìn)行同樣改造，即可實(shí)現(xiàn)d軸電流回路和q軸電流回路的解耦控制。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力和動(dòng)態(tài)性能，把電網(wǎng)電壓作為前饋補(bǔ)償，于是得到SVPWM整流器的雙環(huán)解耦控制框圖如圖4所示。

圖4 SST輸入SVPWM整流單元解耦控制框圖Fig.4 d-q decoupled controller of SST SVPWM rectifier

4.3 中間DC-DC變換單元

中間 DC-DC變換單元由單相全橋逆變電路、高頻隔離變壓器和單相橋式全控整流電路組成。由SST整流單元輸出的高壓直流電首先通過(guò)逆變器調(diào)制成高頻方波，再通過(guò)高頻變壓器耦合到二次側(cè)，最后通過(guò)一個(gè)由同步信號(hào)控制的整流器還原成低壓直流。其中的逆變器和整流器均采用 PWM控制，驅(qū)動(dòng)信號(hào)為占空比為50%的互補(bǔ)觸發(fā)脈沖。高頻變壓器主要起電氣隔離和電壓等級(jí)變換的作用。DCDC單元在結(jié)構(gòu)上完全對(duì)稱(chēng)，從而允許電能雙向傳輸。此外，可以增加軟開(kāi)關(guān)電路實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通和零電流關(guān)斷，提高工作頻率，減少開(kāi)關(guān)損耗。

當(dāng)一次側(cè)逆變器與二次側(cè)整流器的觸發(fā)脈沖不同步，存在相角差時(shí)，有[14]

式中，P0為DC-DC單元傳輸?shù)挠泄β剩籚dc為高壓側(cè)輸入直流電壓；fH為開(kāi)關(guān)頻率；L為漏感；Vdc_link為低壓側(cè)輸出直流電壓；ddc為一次、二次調(diào)制信號(hào)的移相角差。

中間 DC-DC單元的控制目標(biāo)是輸出恒定的低壓直流電。由式（5）可以看出，通過(guò)控制移相角差ddc，即可控制低壓側(cè)輸出直流電壓Vdc_link，為此引入無(wú)靜差的PI調(diào)節(jié)器控制即可。

除了以上的控制策略，中間 DC-DC單元的核心技術(shù)是高頻變壓器的研制，而磁性材料又是高頻變壓器研究的關(guān)鍵所在。目前，開(kāi)發(fā)高性能的納米超微晶合金材料是該領(lǐng)域的熱門(mén)研究?jī)?nèi)容，也是高頻變壓器工程化的希望所在。

4.4 輸出逆變單元

如圖1所示，三相SST的輸出單元由三相半橋逆變器和 LC濾波器組成，其功能為輸出恒定幅值的三相工頻正弦交流電。三相半橋電路采用中性點(diǎn)引出接線(xiàn)，三相之間沒(méi)有耦合關(guān)系，每一相都是獨(dú)立的，可以看成是三個(gè)輸出電壓相位互差 120°的單相半橋逆變器的組合，因此可以應(yīng)用單相逆變器的控制方法。

為了保證輸出波形的有效值精度，本文采用電壓瞬時(shí)值控制，在瞬時(shí)值內(nèi)環(huán)外面再加一個(gè)平均值環(huán)對(duì)輸出波形的幅值進(jìn)行調(diào)整。內(nèi)環(huán)通過(guò)瞬時(shí)值控制獲得快速的動(dòng)態(tài)性能，保證輸出畸變率較低，外環(huán)通過(guò)輸出電壓的平均值控制，具有較高的輸出精度[15]。其控制框圖如圖 5所示。圖中輸出電壓 Vo經(jīng)整流濾波后得到直流量與給定參考信號(hào)的有效值進(jìn)行比較，得到的誤差信號(hào)經(jīng)外環(huán)調(diào)節(jié)器后的輸出作為內(nèi)環(huán)參考正弦波的幅值，這個(gè)幅值與單位正弦波相乘后作為內(nèi)環(huán)給定信號(hào)。內(nèi)環(huán)給定信號(hào)與輸出電壓瞬時(shí)值比較，得到的誤差信號(hào)經(jīng) PI調(diào)節(jié)器運(yùn)算，作為內(nèi)環(huán)的控制信號(hào)送入SVPWM發(fā)生器。

圖5 SST輸出SVPWM逆變單元控制框圖Fig.5 Controller of SST SVPWM inverter

5 仿真實(shí)驗(yàn)與波形

根據(jù)我國(guó)電力系統(tǒng)的電壓等級(jí)，F(xiàn)REEDM環(huán)網(wǎng)的額定線(xiàn)電壓設(shè)計(jì)為10kV，在Matlab2007b/Simulink環(huán)境下，根據(jù)圖1搭建一個(gè)三相交-直-交SST模型，并進(jìn)行仿真。SST電網(wǎng)側(cè)輸入為線(xiàn)電壓UL=10kV、f=50Hz的三相正弦交流電，負(fù)載側(cè)輸出為線(xiàn)電壓380V的三相工頻正弦交流電。其他主要參數(shù)為:SST輸入側(cè)的等值電阻 R=0.5Ω，電感 L=10mH，SVPWM 開(kāi)關(guān)頻率 fs=10kHz，直流側(cè)支撐電容C=4700μF，直流輸出電壓為 Vdc=15.5kV；中間DC-DC變換單元高頻變壓器的一次電壓為15.5kV，二次電壓為600V，工作頻率為 5kHz；SST輸出逆變單元的濾波電感L=80μH，濾波電容C=880μF，SST的設(shè)計(jì)容量約為2.7MVA。相對(duì)于采用PWM控制的SST[16]，采用SVPWM控制后，SST直流環(huán)節(jié)的電壓降低了約15%。在SST高壓側(cè)交流電壓等級(jí)不變的條件下，高壓側(cè)直流環(huán)節(jié)電壓的適當(dāng)降低，在目前功率開(kāi)關(guān)器件耐壓受限的情況下，降低了SST的工程化難度[17]。有關(guān)仿真波形如圖6～圖8所示。

圖6 SST a相輸入電壓和電流波形Fig.6 Input voltage and current of phase a

圖7 SST整流單元直流輸出電壓波形Fig.7 Output DC voltage of SST rectifier

圖8 SST交流輸出線(xiàn)電壓波形Fig.8 Output AC voltage of SST

由圖6可以看出，在經(jīng)過(guò)約0.15s調(diào)整后，SST輸入交流電壓、電流波形基本保持同相，F(xiàn)REEDM電網(wǎng)側(cè)輸入功率因數(shù)恒定為 1。由圖 7可以看出，SST輸入整流單元的輸出直流電壓在經(jīng)過(guò)短暫的過(guò)渡過(guò)程后穩(wěn)定在15.5kV。由圖8可以看出，SST的輸出三相交流線(xiàn)電壓在經(jīng)過(guò)約 0.15s調(diào)整后保持為三相對(duì)稱(chēng)正弦交流波形，有效值約為380V。將SST所接負(fù)載由2.7MW切換為1.4MW時(shí)，仿真所得波形基本保持不變，可見(jiàn)SST對(duì)負(fù)載擾動(dòng)具有良好的抗干擾性。

為縮短過(guò)渡過(guò)程時(shí)間，以下仿真中將輸入直流側(cè)的電容電壓初值設(shè)置為15.5kV。當(dāng)SST接感性負(fù)載（有功負(fù)載P=2.5MW，無(wú)功負(fù)載QL=0.5Mvar）時(shí)，可得仿真波形如圖9和圖10所示。

圖9 阻感負(fù)載時(shí)SST輸入電壓電流a相波形Fig.9 Input voltage and current of phase a with RL load

圖10 阻感負(fù)載時(shí)SST交流輸出線(xiàn)電壓波形Fig.10 Output AC voltage of SST with RL load

由圖9可以看出，在經(jīng)過(guò)短暫過(guò)渡過(guò)程之后，SST的輸入交流電壓和電流基本保持同相，輸入側(cè)功率因數(shù)為1，可見(jiàn)SST具有無(wú)功補(bǔ)償功能。由圖10可以看出，SST的輸出電壓波形保持為三相正弦交流，有效值約為380V。

為了仿真逆功率輸送，即將分布式電源產(chǎn)生的能量從低壓側(cè)傳輸?shù)礁邏簜?cè)然后送往電網(wǎng)，同時(shí)保證SST按照額定容量工作，使用6MW的受控電源，其中3MW供低壓負(fù)載使用，3MW逆向送往電網(wǎng)。仿真波形如圖11和圖12所示。

圖11 帶分布式電源時(shí)SST a相輸入電壓和電流波形Fig.11 Input voltage and current of phase a with DG

圖12 帶分布式電源時(shí)SST交流輸出線(xiàn)電壓波形Fig.12 Output AC voltage of SST with DG

由圖11可以看出，在經(jīng)過(guò)短暫過(guò)渡過(guò)程之后，SST的輸入交流電壓和電流基本保持反相，輸入側(cè)功率因數(shù)為-1，即SST向電網(wǎng)輸出有功功率，由此可見(jiàn) SST可以雙向傳輸電能，能夠根據(jù)需要向FREEDM注入有功功率。由圖 12可以看出，SST的輸出電壓波形保持為三相正弦交流，有效值約為380V。由以上仿真分析可見(jiàn)，本文設(shè)計(jì)的SST基本實(shí)現(xiàn)了FREEDM所要求的控制目標(biāo)。

6 結(jié)論

綜上所述，本文對(duì)新型智能微型電網(wǎng)FREEDM的核心設(shè)備SST進(jìn)行了研究，分析了其工作原理、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略，根據(jù)我國(guó)電力系統(tǒng)電壓等級(jí)的參數(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)采用SVPWM控制技術(shù)的三相SST模型，通過(guò)仿真驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案的有效性，為將FREEDM的先進(jìn)理念引入我國(guó)、開(kāi)發(fā)中國(guó)化的FREEDM電網(wǎng)奠定了基礎(chǔ)。由于我國(guó)常用配電電壓等級(jí)高達(dá)10kV，而現(xiàn)在商用IGBT模塊的最高電壓等級(jí)一般在6.5kV左右，因此必須采用串聯(lián)分壓和并聯(lián)分流來(lái)彌補(bǔ)功率器件的不足。但最根本的方案還是要研究利用高能隙帶的SiC、GaN等新材料制造新一代的電力電子器件[18]。相對(duì)Si來(lái)說(shuō)，SiC的擊穿電壓高10倍，散熱性更好，本征載流子濃度更低，有望將SST的效率提高到接近100%。由于SST中存在的非線(xiàn)性、復(fù)雜性、時(shí)變性和不確定性等，很難得到精確的數(shù)學(xué)模型，導(dǎo)致采用傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器控制很難得到滿(mǎn)意的結(jié)果，因此可以考慮將智能控制理論中的專(zhuān)家控制、模糊控制等引入SST的控制，保證系統(tǒng)的跟隨性能，提高SST的魯棒性和自適應(yīng)性。在我國(guó)目前正如火如荼進(jìn)行的智能電網(wǎng)建設(shè)和新能源開(kāi)發(fā)利用中，F(xiàn)REEDM及其核心設(shè)備固態(tài)變壓器大有可為，應(yīng)用前景廣闊。

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